Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Нет, не уловили.

Татарин, который лучше любого незванного гостя... То как вы ДЕЛАЕТЕ излучение - я понял с ходу. Как-то подобно в романе Форварда накачивались солнечные лазеры. Брегговский концентратор вырезал только ту часть спектра солнечного света, которая нужна была для накачки и концентрировал это на стержень активной зоны. А остальное излучение просто пропускалось мимо. За счет этого достигалась (в романе) уникальная эффективность лазера и нужны были не очень большие радиаторы к ним (100% эффективности, разумеется, никакая машина иметь не может).
Брегговскими зеркалами и фильтрами я интересовался еще разрабатывая  гравицапу. Там даже есть расчёты по брегговской оптике в излучателях синтезированной апертуры.
То есть, вопрос оптики меня мало удивлял. Меня беспокоил вопрос, почему  один и тот же полупроводник в инфракрасной области может преобразовывать 55-70% света в ток, а в видимой всего 10-15%. Хотя казалось бы видимый квант "качственней". Он несёт куда больше энергии! Тем более что бумага от Аскета это прямо утверждает. Что пик (для таких то и таких то полупроводников) в районе ~ 1 мкм. А дальше с ростом частоты излучения, эффективность падает ЛИНЕЙНО. Потому и падает,  что фиксированная ширина запрещённой зоны не позволяет утилизировать всю энергию кванта. Излишек эВ уходит в паразитку.

Кстати.
Раз уже об этом зашла речь.
По поводу брегговского фильтра (как я это назвал "колбы") которая  выпускает только правильное тепловое излучение и возвращает обратно неправильное, пока то не станет правильным (только тогда выйдет).
Очень красиво.
Очень круто!
Настолько круто, что  житейский опыт инженера подсказывает: не бывает так круто! Природа такие фокусы просто так вам не дарит. Она обязательно за это возьмёт плату. И тогда вопрос: а чем?

Первая дурная мысль: брегговский фильтр вообще работать не будет (мол подарка и нет. Это - мнимость). В чём логика (ошибочная)? Что бы фильтр возвращал назад (на излучатель) энергию, он должен иметь температуру выше излучателя. Ну что бы передать тепло куда-то вы должны же передавать от более горячего к холодному. Значит (была мысль) сам фильтр должен быть нагрет не ниже излучателя 3000 К. А значит сам будет излучать во все стороны как такое тело! Какой же это фильтр?

Но ясно что это логично для АЧТ. Поглотителя-излучателя. Но не отражателя, пропускателя, преломителя. Линза, фокусирующая лучи солнца  чтобы поджечь древесину не обязана сама быть горячей как солнце и даже древесина в фокусном пятне. Она нагревается ровно настолько, насколько поглощает лучи, которые пропускает и преломляет. Так и брегговский фильтр-колба. Да она будет горячей (и излучать опять же непрерывный спектр АЧТ по Стефану-Больцману) но не 3000 К (как сам наш реактор). Можно прикинуть насколько, если знаем какой процент света она поглощает.
Тогда в чём подвох? А подвох (расплата, некая сложность) обязательно должен быть! Не бывает что бы совсем уж бесплатно!

В общем я наверное скоро (на днях?) таки сделаю инструмент по-лучше. Если опять меня чего-нибудь не отвлечет.

У меня было мало сомнений, что вы на эту мою табличку отреагируете именно так.
Ради бога! Если есть желание. Действительно это же правильная идея и она должна идти в массы. Мем же!
Так что - с богом! Даёшь ей наследников много и разных!

Про ступени. Да. Я по-началу считал что ступени ничего нам не дадут. Но теперь признаю- ошибался. Они хоть и не сильно улучшают ситуацюи (при 600 летнем полёте сокращают его на 100 лет) но всё же.
Очень большой плюс, что можно сократить работу каждого реактора до вменяемого срока ниже 100 лет!
Хотя, конечно, расплата за эти все плюсы - чудовищное массовое число.
Но это как раз похоже на мать-природу. На шару только в мышеловке...

[alex_semenov]

Согласен, что большая полая сфера лучше, чем много шаров при почти такой же удельной мощности.

Равлык. Один чисто практический вопрос меня мучит.
Если это сфера, то как  мы эту сферу держать будем? На вытянутых руках как Данко свое сердце?

Нам ведь нужен не только свет но и ТЕНЬ. Радиационная- точно. Да и оптическая - тоже. В которой у нас прячутся хрупкие фотопреобразователи.
Плюс вопрос заправки реактора НА ХОДУ всё-таки остаётся открытым. И метод Штерна, на мой взгляд, остаётся лучшим.
Может всё-таки не тонкая сфера, а цилиндр, зактытый с двух торцов?
И подавать в него не стержни (в шахмотном порядке), а тонкий цилиндр? Хотя не получится чисто физичске. Тогда тонкие плоские "стержни", что бы они в реакторе формировали цилиндр.

Битва за удельную мощность - важна.
Но не только она!
В конце концов. Какая удельная мощность реактора нас устроит? 100 квт/кг? 50 квт/кг? 10 квт/кг?
Понятно что чем выше тем лучше. Но у нас и другие элементы в общем то тоже ограничены по удельной мощности. И общая удельная мощность всего корабля/ступени по-сути сумма (обратных величин от удельной мощности составляющих каскад всех  элементов) И на общую удельную мощность влияет самый маломощный элемент. Значит даже если мы получим удивительно лёгкий реактор (скажем 100 квт/кг) а тот же преобразователь напряжения (или панели фотопреобразователей) окажется "всего" 5 квт/кг, то толку от легкости и удельной мощности лампы-реактора? Это конечно здорово. Но большой роли в повышении удельной мощности всего корабля это не сыграет.

[alex_semenov]

Ещё тонкость.
Я вспомнил, хотел сказать, а потом забыл. Но теперь опять всплыла мысль.
Когда мы считаем массу реактора, то львиная доля этой массы - уран-235.  Но уран-это топливо. И если мы используем продукты деления (хотя бы часть) как рабочее тело для ионных двигателей, то вообще говоря заметная часть этой массы - это по-сути запас рабочего тела. То есть. Масса реактора, это то что обслуживает эти самые, например, урановые стержни. А масса самих стержней, как минимум, некоторая их доля проходит у нас не по графе "масса конструкции", а по  графе "ракетная масса". И это опять же должно работать на повешение удельной мощности узла "реактор" и всей конструкции в целом.
Сюда же. Очень большой соблазн использовать эти самые урановые стержни, коль они такие длинные, как элементы несущей конструкции. То есть некую РАМУ. Пока они не попали в реактор, почему бы это всё не изогнуть (если они относительно тонике) распереть и не использовать как пространственную конструкцию?
В конце концов наш корабль не испытает больших ускорений и значит нагрузок. Поэтому мы могли бы использовать сами эти стержни-раму как раму на которой повешены те же ионные двигатели. Ионные двигатели должны же находится там же где и реактор. Никаими "нитками" тут не обойтись. К ионнику подается и ток, и рабочее тело. Значит вся сборка "реактор-энергосистема-запас рабочего тела -ионные двигатели" должны быть собраны в единую относительно компактную и жёсткую конструкцию. Не растягиваться на километры. Вернее это может растягиваться (в этом может быть смысл) но опять же за счет того что урановые стержни топлива служат для всего этого силовым, несущим каркасом.
Насколько я понимаю, оксид урана не металл. Это такой "кирпич" и как силовой каркас он не годистя. Но может можно придумать "композитную" структуру стержня что бы он в реакторе выполнял роль "нити накаливания", а в холодном состоянии выполнял роль прута арматуры? Ну скажем, оксидом покрыть только наружную часть, а внутренняя будет чисто металлическая.
Еще деталь. Двигатели, разумеется будут тянущими. Это наиболее устойчивый, стабилизирующий режим. Но тянуть мало. Так как конструкция пространственно получается вытянутой, то скорей всего ее форму и положение в пространстве придётся АКТИВНО стабилизировать. И это скорей всего придётся делать теми же двигателями. То есть ограничивать движение конрструкции в 6 степенях свободы (три оси и три вращения вокруг них).
И это значит что группы двигателей надо достаточно сильно разнести ВОКРУГ центра массы, скорей всего реактора.

И сюда же. Бреггорские зеркала. Это лёгкие плёнки. Но как им придать форму? Вряд ли для этого годится некий силовой каркас. Дорого и плохо. Зеркала надо либо надуть газом изнутри. Но тогда мы должны будем беспокоится об их герметичности. Или как-то "надуть" их полями. Электрическими или магнитными.
В общем тоже проблема. Надо думать.
Но в целом конструкция обещает быть очень удельно лёгкой. Относительно конечно. И я считаю реализмом получить для такого корабля 5 квт/кг. И оптимизмом 10 квт/кг.
Если так, то это очень круто.
Это по-сути "доганяет"  "типичный" (то есть без прорывных извратов) термоядерные звездолёты с магнитым удержанием в духе "виверн" (которые еще не известоно возможны ли вообще? журавль в небе! одни обещания).

[Vavanzer]

Пока они не попали в реактор, почему бы это всё не изогнуть (если они относительно тонике) распереть и не использовать как пространственную конструкцию?
В конце концов наш корабль не испытает больших ускорений и значит нагрузок.

  По мере расхода эта рама будет кончаться. Луччше постоянную, и несущую определённый смысл. Например в роли радиатора для отведения лишнего тепла, со слоем термоэлементов изнутри.

[Vavanzer]

АКТИВНО стабилизировать. И это скорей всего придётся делать теми же двигателями. То есть ограничивать движение конрструкции в 6 степенях свободы (три оси и три вращения вокруг них).
И это значит что группы двигателей надо достаточно сильно разнести ВОКРУГ центра массы, скорей всего реактора.

Американцы использовали осевое вращение для стабилизации их первых ракет.
Двигатели наоборот ближе ктоси движения стремятся ставить, тк их намного проще синхронизировать, чем разнесенные, у которых большой рычаг и малейший разбаланс в тяге сразу отклоняет ракету.
Для стабилизации используются вспомогательные гидразиновые двигатели , которые в разных частях ракет стоят.

[равлик]

Если это сфера, то как  мы эту сферу держать будем? На вытянутых руках как Данко свое сердце?

Не так. Эти события происходят в условиях большой (на фоне межзвёздного полёта) силы тяжести или ускорения. В результате используются несущие опоры, кажущиеся естественными на основе бытового опыта. А космическая (настоящая, а не то что имеем) техника должна делаться из несущих надутых пузырей, внутри которых натянуты несущие сети. Жесткие опоры могут использоваться разве что в жилых модулях для удобства, хотя и там наверное можно придумать что-то поэффективнее.

Сферы из графита, с вкраплениями карбидов делящегося вещества, одновременно по четырём причинам. Обеспечивает достаточное замедление и удержание нейтронов при толщине 0,1…0,2 м. Имеет высокую теплопроводность. Неплохо сохраняет прочность при вкраплениях осколков деления. Обладает одной из наибольших температур плавления.

Внутренняя и наружная поверхности покрыты карбидом тантала-гафния для наименьшего испарения.

Нужна примесь ²³⁸U, чтобы уменьшить поток нейтронов и порчу тантала с гафнием. Но их сечение захвата в десятки-сотню раз меньше делящегося изотопа и поток нейтронов уже ослаблен, в результате и расход будет в сотню раз меньше, что допустимо. Площадь фотоэлектропреобразователей в десятки тысяч раз больше, а сечение захвата в десятки-сотню раз меньше, в результате испортится лишь миллионная доля, что не должно особо повлиять на характеристики.

На верхнем графике видно, как при температуре 2500...5000 К сильно (более корня из энергии) уменьшается сечение, обеспечивая отрицательную обратную связь от перегрева при небольших изменениях состава и формы, что делает необязательным подвижные элементы, регулирующие скорость реакций.

[Sergey E.]

Если это сфера, то как  мы эту сферу держать будем? На вытянутых руках как Данко свое сердце?

Не так. Эти события происходят в условиях большой (на фоне межзвёздного полёта) силы тяжести или ускорения. В результате используются несущие опоры, кажущиеся естественными на основе бытового опыта. А космическая (настоящая, а не то что имеем) техника должна делаться из несущих надутых пузырей, внутри которых натянуты несущие сети. Жесткие опоры могут использоваться разве что в жилых модулях для удобства, хотя и там наверное можно придумать что-то поэффективнее.

На верхнем графике видно, как при температуре 2500...5000 К сильно (более корня из энергии) уменьшается сечение, обеспечивая отрицательную обратную связь от перегрева при небольших изменениях состава и формы, что делает необязательным подвижные элементы, регулирующие скорость реакций.

Так ведь ранее было предложено делать плоские фотоэлементы - брегговские зеркала снимают с них нейтронное облучение.
Я нашёл у себя ошибку в расчетах - чтобы получить ускорение в 1000 км в сек за ступень использующую 32% лития 32% сухой массы двигателя и 36% массы следующей ступени нужно 3 киловатта на кг(7 киловатт тепла) на сухую массу двигателя а не 2 киловатта.
А вот что касается реактора - на быстрых нейтронах видимо лучший вариант.
Что касается фотоэлементов то тонкопленочные работают при температуре 450 к хотя их КПД немного ниже.

[Vavanzer]

нужно 3 киловатта на кг(7 киловатт тепла) на сухую массу двигателя а не 2 киловатта.

  Откуда такие данные? Наикакой срок разгона и с какой скоростью  выброс будет?

[Андрей Астрофизический]

Так Выкладываю Excel-табличку, которая находит ... параметры оптимальной одноступенчатой ракеты при заданнии ... исходных параметров.

На основе вот этих выкладок. Формулу оттуда перевел в код, и соорудил инструмент для построения трехмерного графика функции от двух параметров т.е. z = F(x,y)
Получился пока сыроватый-неказистый, но рабочий инструмент отображающий "пространство решений".

https://iscalc.map3d.space/

Работать может в одном из трех режимов.
T(x, u) - находит функцию времени перелета от % активного полета x, и от скорости истечения u. При жестко заданной энерговооруженности w.
T(x, w) - находит функцию времени перелета от % активного полета x, и от энерговооруженности w. При жестко заданной скорости истечения u.
T(u, w) - находит функцию времени перелета от скорости истечения u, и от энерговооруженности w. При жестко заданном % активного полета x.
Пока так. Ступени еще не прикручивал, пока проверяем все ли правильно работает...
Как пользоваться:
1) Нажимаем кнопку одного из трех режимов.
2) Вводим свои параметры во все поля, где нам надо.
3) Нажимаем "Вычислить".
4) Любуемся на трехмерный результат, крутим его со всех сторон (кнопками Q, E, можно даже по оси камеры крутиться).
5) Важно! Когда хотим поменять параметры (даже просто изменить минимум/максимум, не меняя режима вычисления) - надо перезагружать страницу, и заново все делать начиная с п.1. Иначе система с невинным видом показывает данные предыдущего расчета. Это должна была, по задумке, устранять кнопка "Очистить" - но пока она как-то работает через пень-колоду, пока не понял почему.
В общем для каждого нового расчета страницу перезагружать надо.

[Sergey E.]

нужно 3 киловатта на кг(7 киловатт тепла) на сухую массу двигателя а не 2 киловатта.

  Откуда такие данные? Наикакой срок разгона и с какой скоростью  выброс будет?

Это физика за 8 класс)
Изменение массы ступени 100%-68% что даёт прирост скорости в 40% от скорости истечения и то есть при скорости истечения 2500 км в сек -1000 км в сек прирост. Сухая масса равна весу лития -32%. Время работы 1 миллиард секунд -31 год. 2500 км в сек в квадрате пополам деленные на миллиард секунд - 3100 ватт на кг. Элементарно надо помнить законы сохранения которые получаются из однородности пространства mv и времени mv*v/2....

[Vavanzer]

Время работы 1 миллиард секунд -31 год. 2500 км в сек в квадрате пополам деленные на миллиард секунд - 3100 ватт на кг.

  Благодарю.
Я сначала понял что это удельная мощность реактора.
Теперь посчитайте массу топлива!) Я недавно выкладывал тут расчёт, в котором получилось, что разогнать 1 тонну рабочего тела до 3000 км/с нужно сжечь 54кг урана 235, полностью, на 100% и при 100% КПД. 
  100% выгорания, естественно, никогда не бывает. Плюс множество конструктивных элементов реактора, т.е паразитная масса.
  Так же не реально передать все 100% энергии к рабочему веществу.

[Vavanzer]

Идея одна пришла. Что если прикинуть импульсный двигатель на маломощном реакторе.
Для 0.01с (3000 км/с) чтоб выкинуть 1 тонну, нужно придать ей 4.5*10^15 Дж.
Эта энергия соответствует мощности в единицу времени:
1.25 ТВт/час
52 ГВт /сутки
142 МВт/год
Т.е если тонне рабочего тела отдавать чистую мощность в течении года в количестве 142МДж/с, то она весь год будет постепенно в течении года вылетать со скоростью 3000 км/с.

Уран 235 выдаёт с 1 кг 83 ТДж, и получается, чтоб получить из него ту самую энергию в 4.5*10^15 Дж, нужно "сжечь" 54 кг, вчистую, при 100% КПД (что просто нереально)
Т.е на каждую тонну выброса уйдёт гораздо больше чем 54 кг ядерного топлива, не считая конструктива реактора, емостей и пр  полезной и бесполезной нагрузки.
И это всего на 0.01с.

Даже если сделать импульсный двигатель с накопителями энергии, все равно мощность получается колоссальная, и масса тоже. В итоге такой проект просто лишен смысла. Энергоемости ядерного топлива мало для таких задач.

Вот оно. 142 МВт непрерывно в течении года должен выдавать энергоблок, чтоб  в течении этого же года "испарять"  эту тонну со скоростью вылета в 3000км/с!

Если делим на 30 лет, получим 4.7 МВт/т. Или 4.7 кВт/кг.

Отсюда и получится расчёт "бесполезной" нагрузки. Начиная от массы корпуса и вещества реактора, и заканчивая емкостями рабочих веществ, ионной плазменными движками, соединительными элементами и пр лабуденью. Выйдет все это в несколько тонн, если даже не десятков.
И отсюда, для истечения 1:1 нужна мощность не менее 4.7 МВт/т, или у сотни мегават для конструкции в десятки тонн. На протяжении 30 лет, в автономном режиме безотказной работы!

[Vavanzer]

..Теперь заморочимся с КПД.  Возьмём условно 20% (в ммарное КПД реактора и ионника, с расходами на прочие нужды.)
  4.7/0.2= 23.5 кВт/кг массы ракеты с полезной нагрузкой.
Отсюда, если реактор составит 1/5 от массы ракеты, то получаем почти 100кВт/кг надо снять с массы реактора (не с топлива, а со всего конструктива реактора)

 И исходя из этого, с 1 кг активного топлива надо снимать уже в сотни киловатт. Смотря какую долю оно занимает в массе реактора. Например если 1/3, то 300Квт с кг активной зоны. Можно прикинуть даже площадь излучающей поверхности ядерной лампочки при 3000К.
 При 3000К мощность  1м2 составляет 4 592700 Вт (по формуле N= сигма *Т^4)
 Отсюда, получаем площадь излучения лампочки (300кВт/кг) в 0.0653 м2 , или 6.53 дм2. Это кусок 25.5х25.5 см!
 

[Sergey E.]

Нужно прикинуть реактор на быстрых нейтронах: глубина проникновения нейтронов в стержень - сечение 2 барн, в 1 см^3 17 грамм оксида урана т.е. 0.04 на десять в 24 ой атомов т.е. 12 сантиметров до снижения кол-ва нейтронов в е раз с 3 приблизительно на 1 деление. Так что же - реакторы на быстрых нейтронах требуют толстых стержней по 3-6 сантиметров диаметром? Не изучал раньше этой темы... Может есть литература по реакторами на быстрых нейтронах, буду дома погуглю. В сферах полых предложенных равликом выше толщина около 0.1 метра т.е. как раз то что надо для быстрых нейтронов вроде но он говорит о замедленных нейтронах, хотя в общем то понятно что критическая масса урана в растворе воды идёт на дистанции 10 см как раз, только тут из за температур углерод.
Корбид тантала с гафнием или карбонитрид гафния (+200 к к температуре плавления) насколько порядков меньше испаряются чем вольфрамом? Вольфрам на  2 порядка меньше чем углерод, какое давление газа должно быть вокруг сфер что бы уменьшить испарение , килопаскаль 1? Я думаю 2500 к температура по испарению лучше чем 3000 к.
 Что касается того что брегговские зеркала будут за счёт собственной температуры терять часть излучения обратной стороной так тут потери незначительные если располагать зеркала не вплотную к реактору а поодаль. Т.е. температура самих зеркал будет только около 1000 к ближе к центру и ниже по краям так что потери будут небольшие по формуле излучения зависящей в 4 ой степени от температуры.

[Проходящий Кот]

В расчетах межзвездников у нас есть существенный пробел.
Надо учесть взаимные скорости звезды стартта и звезды цели.
И главное, характеристическая скорость разгона и торможения не должны быть равными.
В торможение  надо заложить запас  20%.
Заодно и топливо для маневров  в системе-цели будет.

[Vavanzer]

Меня беспокоил вопрос, почему  один и тот же полупроводник в инфракрасной области может преобразовывать 55-70% света в ток, а в видимой всего 10-15%. Хотя казалось бы видимый квант "качственней". Он несёт куда больше энергии! Тем более что бумага от Аскета это прямо утверждает. Что пик (для таких то и таких то полупроводников) в районе ~ 1 мкм. А

Этож очень хорошо! Даже для наземной энергетики. Хоть на дровах, топим печку до жёлтого накала и снимаем 70% энергии))))
Плюс вписываемся в рабочую способность большого спектра тугоплавких материалов!

Совсем другое дело если бы эфективный спектр уходил в область ультрафиолета, тогда пришлось бы греть до страшных тыщщ градусов, когда не то что плавится все, ещё и ионизируется!)))

[Vavanzer]

В расчетах межзвездников у нас есть существенный пробел.
Надо учесть взаимные скорости звезды стартта и звезды цели.

Это уже детали, которые будут всплывать естественным образом в финальной стадии проработки проектов.
А пока что запускать нечего и не чем!))

[Vavanzer]

Я думаю 2500 к температура по испарению лучше чем 3000 к.

Да и в целом она удобнее. Даже если хотябы будет 2500С, а не К. Лампа все равно будет хорошо гореть!)))

Если бы к системе добавить "дожигатель", точнее улавливатель дальнего ИК, переизлучаемого первичной сферой фотоприемников, нагретой до определённых температур... А то и несколько подряд, разного диапазона , по убывающей.

[Vavanzer]

какое давление газа должно быть вокруг сфер что бы уменьшить испарение , килопаскаль 1?

  Можно подобрать материал для внешнего покрытия, минимально испаряющийся при не большом давлении. И согласовенный по коэфициенту расширения с внутренним радиоизотопным источником!

[библиограф]

 Кончно, можно!
Только выбор материалов очень ограничен: вольфрам, рений и осмий.
Давление пара при 3000К у них будет, примерно, 10-4 Па.
Про термическое испарение в вакууме слыхали?
Не пробовали подумать, где будет конденсироваться этот пар?
Правильно, на поверхности злосчастных преобразователей!
Много и не надо, чтобы получилось вполне приличное вольфрамовое
зеркало, слой толщиной в пару сотен атомов, он осядет за несколько часов,
и всё, прилетели!